DE102019133816A1 - Pressure sensor for determining a relative pressure variable - Google Patents
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Abstract
Drucksensor (1) zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfassend:- ein Relativdruckmesswandler (20) mit einer ersten Messmembran (21) und einer ersten Schaltung (22) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran (21) in die Relativdruckgröße,- einen Absolutdruckmesswandler (70) zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,- einen Druckmittler (30) mit einem Druckmittlerkörper (31a, 31b, 31c) in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllte Druckkammer (32) befindet, in der ein Füllkörper (33) mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer (32) und den in den Aussparungen angeordneten Relativdruckmesswandler (20) und Absolutdruckmesswandler (70) auszufüllen;- eine Signalverarbeitungseinheit (80), die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen.Pressure sensor (1) for determining a relative pressure variable, comprising: - a relative pressure transducer (20) with a first measuring membrane (21) and a first circuit (22) for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane (21) into the relative pressure variable, - an absolute pressure transducer ( 70) for determining an absolute pressure variable, - a diaphragm seal (30) with a diaphragm seal body (31a, 31b, 31c) in which there is a pressure chamber (32) filled with a transmission fluid (39) and in which a filling body (33) with two recesses is arranged to fill cavities between the walls of the pressure chamber (32) and the relative pressure transducer (20) and absolute pressure transducer (70) arranged in the recesses; the ambient pressure.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße.The invention relates to a pressure sensor for determining a relative pressure variable.
Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Je nach Anwendung kommen Differenzdrucksensoren oder Relativdrucksensoren zum Einsatz.Pressure sensors are used to record pressures and are used in industrial measurement technology. Depending on the application, differential pressure sensors or relative pressure sensors are used.
Relativdrucksensoren dienen dazu, einen zu messenden von außen auf eine Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckkammer zugeführten Referenzdruck, z.B. den Atmosphärendruck, zu messen. Sie werden insb. in der industriellen Messtechnik zur Messung von Relativdrücken eingesetzt.Relative pressure sensors are used to measure a pressure that is to be measured from the outside on a measuring membrane in relation to a reference pressure supplied to the pressure chamber, e.g. atmospheric pressure. They are used in particular in industrial metrology to measure relative pressures.
In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Druckmesswandler, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Entsprechende Druckmesswandler weisen typischer Weise eine Messmembran auf, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Relativdruck entspricht. Halbleiter-Druckmesswandler sind für gewöhnlich sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.In pressure measurement technology, so-called semiconductor pressure transducers, e.g. silicon chips with doped resistance elements, are often used as pressure-sensitive elements. Corresponding pressure transducers typically have a measuring membrane, one side of which is exposed to a first pressure and the second side of which is subjected to a second pressure during measuring operation. The acting pressures cause a resulting deflection of the measuring membrane, which corresponds to the relative pressure to be measured. Semiconductor pressure transducers are usually very sensitive and are therefore not directly exposed to a medium whose pressure is to be recorded. Instead, diaphragm seals filled with a transmission fluid are connected upstream.
Druckmittler weisen hierzu regelmäßig einen massiven, typischerweise mehrteiligen Druckmittlerkörper auf, auf dem außenseitlich zumindest eine Trennmembrane angeordnet ist. Dabei schließt die Trennmembrane eine erste Druckempfangskammer ab, die über einen ersten hydraulischen Pfad mit einer Druckkammer verbunden ist, in die der Relativdruckmesswandler derartig angeordnet ist, dass einer ersten Seite der Messmembrane, der an dieser Trennmembran anliegende Druck zugeführt ist. Der zweiten Seite der Messmembran ist ein zweiter Druck, beispielsweise über eine Kapillare, zugeführt. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Relativdruckmesswandler die Relativdruckgröße bestimmen.For this purpose, diaphragm seals regularly have a massive, typically multi-part diaphragm seal body on which at least one separating membrane is arranged on the outside. The separating membrane closes off a first pressure receiving chamber which is connected via a first hydraulic path to a pressure chamber in which the relative pressure transducer is arranged in such a way that the pressure applied to this separating membrane is fed to a first side of the measuring membrane. A second pressure is applied to the second side of the measuring membrane, for example via a capillary. The relative pressure transducer can thus determine the relative pressure variable on the basis of the two pressures supplied.
Druckmittler werden für gewöhnlich in Automatisierungsanlagen in der industriellen Messtechnik zum Ausführen bzw. Steuern eines Prozesses eingesetzt, kommen aber auch in anderen Bereichen zum Einsatz, bspw. in einem Schiff oder einem Flugzeug. Hier werden die Drucksensoren für die Drucküberwachung von z.B. Behältern für Gase und Flüssigkeiten wie z.B. Sauerstoff oder Wasser, Öle, Kraftstoff usw. eingesetzt.Diaphragm seals are usually used in automation systems in industrial measurement technology to carry out or control a process, but are also used in other areas, for example in a ship or an airplane. Here the pressure sensors are used to monitor the pressure of, for example, containers for gases and liquids such as oxygen or water, oils, fuel, etc.
In derartigen Anlagen aber auch in Schiffen und Flugzeugen kann es zu ungewollten bzw. unerwünschten Änderungen des Raumdruckes in der Umgebung des Einbauorts des Druckmittlers kommen, die die Sicherheit des Prozesses und/oder der Menschen Vorort gefährden können.In systems of this type, but also in ships and aircraft, there can be unwanted or undesired changes in the room pressure in the vicinity of the installation location of the diaphragm seal, which can endanger the safety of the process and / or the people on site.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor vorzuschlagen, der auf einfache Art und Weise ungewollte bzw. unerwünschte Raumdruckänderungen erfassen kann.It is therefore an object of the invention to propose a pressure sensor which can detect unwanted or undesired changes in room pressure in a simple manner.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Drucksensor gemäß Patentanspruch 1.The object is achieved according to the invention by the pressure sensor according to
Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Bestimmen einer Relativdruckgröße, umfasst:
- - ein Relativdruckmesswandler mit einer ersten Messmembran und einer ersten Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in die Relativdruckgröße,
- - einen Absolutdruckmesswandler zum Ermitteln einer Absolutdruckgröße,
- - einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckkammer befindet, in der ein Füllkörper mit zwei Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den in den Aussparungen angeordneten Relativdruckmesswandler und Absolutdruckmesswandler auszufüllen, wobei sich ein erster druckkommunizierender Pfad zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die erste Öffnung mit einer Trennmembrane verschlossen ist, die mit einem ersten Druck eines Mediums beaufschlagbar ist, um den ersten Druck in den ersten Pfad einzuleiten, wobei der erste Pfad mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und an einer der zweiten Öffnungen in der Druckkammer mündet, so dass die durch den Absolutdruckmesswandler ermittelte Absolutdruckgröße den ersten Druck repräsentiert und ferner der Relativdruckmesswandler auf einer ersten Messmembranseite der ersten Messmembran mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, wobei eine zweite Messmembranseite der ersten Messmembran über einen zweiten druckkommunizierenden Pfad mit einem Umgebungsdruck beaufschlagt ist, so dass die Verformung der ersten Messmembran die Relativdruckgröße zwischen dem ersten Druck und dem Umgebungsdruck repräsentiert;
- - eine Signalverarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, anhand der Absolutdruckgröße und der Relativdruckgröße eine unerwünschte Änderung des Umgebungsdrucks festzustellen.
- - A relative pressure transducer with a first measuring membrane and a first circuit for converting a pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into the relative pressure variable,
- - an absolute pressure transducer for determining an absolute pressure variable,
- - A diaphragm seal with a diaphragm seal body in which there is a pressure chamber filled with a transmission fluid, in which a filling body with two recesses is arranged to fill cavities between the walls of the pressure chamber and the relative pressure transducer and absolute pressure transducer arranged in the recesses, with a first pressure-communicating path between a first opening and a second opening through the pressure transmitter body, the first opening being closed with a separating membrane to which a first pressure of a medium can be applied in order to introduce the first pressure into the first path, the first path containing the transmission fluid is filled and opens at one of the second openings in the pressure chamber, so that the absolute pressure variable determined by the absolute pressure transducer represents the first pressure and furthermore the relative pressure transducer on a first measuring membrane side of the first measuring membrane with de The first pressure is applied, a second measuring membrane side of the first measuring membrane being acted upon by an ambient pressure via a second pressure-communicating path, so that the deformation of the first measuring membrane represents the relative pressure variable between the first pressure and the ambient pressure;
- - a signal processing unit which is set up to determine an undesired change in the ambient pressure on the basis of the absolute pressure variable and the relative pressure variable.
Erfindungsgemäß wird ein Drucksensor vorgeschlagen, der neben dem Relativdruckmesswandler, der einen Prozessdruck gegenüber einem Umgebungsdruck misst, auch einen Absolutdruckmesswandler, der nur den Prozessdruck misst, umfasst, umso eine ungewollte Raumdruckänderung, bspw. bei einer Verpuffung, einen Druckabfall eines Laderaums eines Flugzeuges oder einer Überschwemmung eines Schiffsraumes festzustellen bzw. zu detektieren.According to the invention, a pressure sensor is proposed which, in addition to the relative pressure transducer, which measures a process pressure in relation to an ambient pressure, also includes an absolute pressure transducer, which measures only the process pressure, all the more so an undesired change in room pressure, for example in the event of a deflagration, a pressure drop in the hold of an aircraft or a To determine or detect flooding of a ship's hold.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei einer Änderung des Umgebungsdrucks, sich nur die durch den Relativdruckmesswandler erfasste Relativdruckgröße verändert, wohingegen die durch den Absolutdruckmesswandler erfasste Absolutdruckgröße des Prozessdruckes gleichbleibend ist. Somit kann eine Signalverarbeitungseinheit anhand der beiden Druckgrößen feststellen, ob eine ungewollte oder sogar gefährliche Änderung des Raumdruckes stattfindet.The invention is based on the consideration that when the ambient pressure changes, only the relative pressure variable detected by the relative pressure transducer changes, whereas the absolute pressure variable of the process pressure detected by the absolute pressure transducer is constant. Thus, a signal processing unit can use the two pressure variables to determine whether there is an undesired or even dangerous change in the room pressure.
Hierzu kann die Signalverarbeitungseinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, eine Änderung des Umgebungsdrucks (
L[%] kann beispielsweise ca. 0,5% bei einem ortsüblichen Raumdruck von 1013 hPa (ca. 1 bar) und einer maximalen Änderung von ca. 5h Pa durch die Jahreszeiten und/oder Wetterbedingungen sein.L [%] can, for example, be approx. 0.5% at a customary room pressure of 1013 hPa (approx. 1 bar) and a maximum change of approx. 5h Pa due to the seasons and / or weather conditions.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler eine zweite Messmembran aufweist, der an einer ersten Membranseite ebenfalls der erste Druck zugeführt ist und der an einer zweiten Membranseite ein Vakuum anliegt, wobei der Absolutdruckmesswandler ferner eine zweite Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der zweiten Messmembran in eine der Signalverarbeitungseinheit zugeführt Absolutdruckgröße aufweist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer has a second measuring membrane to which the first pressure is also supplied on a first membrane side and to which a vacuum is applied on a second membrane side, the absolute pressure transducer also having a second circuit for converting a pressure-dependent one Has deformation of the second measuring membrane in one of the signal processing unit supplied absolute pressure variable.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler und/oder der Relativdruckmesswandler auf Halbleiter-Chips, insbesondere Silizium-Chips ausgebildet ist bzw. sind.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the embodiment provide that the absolute pressure transducer and / or the relative pressure transducer is or are formed on semiconductor chips, in particular silicon chips.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einem separaten Halbleiter-Chip, insbesondere Silizium-Chip zu dem Relativdruckmesswandler ausgebildet ist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the embodiment provide that the absolute pressure transducer is formed on a separate semiconductor chip, in particular a silicon chip, to the relative pressure transducer. In particular, the embodiment can provide that the absolute pressure transducer is formed on a separate semiconductor chip, in particular a silicon chip, to the relative pressure transducer.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler ein kapazitiver Absolutdruckmesswandler ist.A further advantageous embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer is a capacitive absolute pressure transducer.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors kann vorsehen, dass der Absolutdruckmesswandler auf einer piezoelektrischen Schicht basiert.An alternative embodiment of the pressure sensor according to the invention can provide that the absolute pressure transducer is based on a piezoelectric layer.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße.
-
1 : a section through an embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a differential pressure variable.
Die beiden Druckmesswandler sind aus einem Halbleitermaterial, insb. Silizium ausgebildet, und können insb. separat voneinander als jeweils eigenständige Sensorelemente ausgebildet sein.The two pressure transducers are made from a semiconductor material, in particular silicon, and can in particular be configured separately from one another as each independent sensor element.
Der Druckmittlerkörper
Der Prozessdruck
Um das Volumen der Übertragungsflüssigkeit
Ein zweiter druckkommunizierender Pfad
Durch den an der Vorderseite
Über die Druckkammer
Der Drucksensor
Die Signalverarbeitungseinheit
Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet sein, kontinuierlich zu überprüfen, ob folgende Gleichung erfüllt ist:
Die Signalverarbeitungseinheit
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DrucksensorPressure sensor
- 2020th
- RelativdruckmesswandlerRelative pressure transducer
- 2121
- Erste MessmembranFirst measuring membrane
- 21a21a
- Erste Seite der ersten MessmembranFirst side of the first measuring membrane
- 21b21b
- Zweite Seite der ersten MessmembranSecond side of the first measuring membrane
- 2222nd
- Erste Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der ersten Messmembran in eine Differenz- oder RelativdruckgrößeFirst circuit for converting the pressure-dependent deformation of the first measuring membrane into a differential or relative pressure variable
- 3030th
- DruckmittlerDiaphragm seal
- 31a31a
- Massiver Block des DruckmittlerkörpersMassive block of the diaphragm seal body
- 31b31b
- TrägerkörperCarrier body
- 31c31c
- KapillarrohrsystemCapillary tube system
- 3232
- DruckkammerPressure chamber
- 3333
- FüllkörperPacking
- 34a34a
- Erster druckkommunizierender bzw. hydraulischer PfadFirst pressure-communicating or hydraulic path
- 34b34b
- Zweiter druckkommunizierender PfadSecond pressure communicating path
- 35a, 35b35a, 35b
- Erste ÖffnungFirst opening
- 36a, 36b36a, 36b
- Zweite ÖffnungSecond opening
- 37a37a
- TrennmembraneSeparating membrane
- 38a38a
- DruckempfangskammerPressure receiving chamber
- 3939
- DruckübertragungsflüssigkeitPressure transmission fluid
- 7070
- AbsolutdruckmesswandlerAbsolute pressure transducer
- 7171
- Zweite MessmembranSecond measuring membrane
- 71a71a
- Erste Seite der zweiten MessmembranFirst side of the second measuring membrane
- 71b71b
- Zweite Seite der zweiten MessmembranSecond side of the second measuring membrane
- 7272
- Zweite Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der Messmembran in eine AbsolutdruckgrößeSecond circuit for converting the pressure-dependent deformation of the measuring membrane into an absolute pressure variable
- 8080
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 8181
- Elektrische LeitungenElectric lines
- p1p1
- ProzessdruckProcess pressure
- p2p2
- UmgebungsdruckAmbient pressure
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DE102019133816.6A DE102019133816A1 (en) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | Pressure sensor for determining a relative pressure variable |
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DE102019133816.6A Pending DE102019133816A1 (en) | 2019-12-10 | 2019-12-10 | Pressure sensor for determining a relative pressure variable |
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Citations (4)
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-
2019
- 2019-12-10 DE DE102019133816.6A patent/DE102019133816A1/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: HAHN, CHRISTIAN, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE |
|
R163 | Identified publications notified |